Conversor multinível ponte H em cascata (CHB)

1.1.1 Topologia

A estrutura monofásica generalizada do CHB (Cascaded H-Bridge – CHB) compos- to por s pontes H para síntese de uma forma de onda de m níveis é ilustrada na Figura 2.

Nota-se que o CHB é formado pela associação em série de células ponte completa idênti- cas sendo introduzido pela primeira vez na literatura por [41]. Cada fonte CC independen- te está conectada a uma ponte completa monofásica ou inversor ponte H. O sinal gerado pelo CHB é igual à soma de todas as saídas individuais de cada ponte H.

Figura 2 – Topologia monofásica generalizada do CHB.

Na prática, o número de células utilizadas no CHB é determinado por especifica- ções de projeto como tensão de funcionamento do conversor, requisitos harmônicos e cus- tos de fabricação [2].

O conversor ponte H em cascata pode operar como inversor ou retificador, desde que as fontes de tensão das células sejam bidirecionais [42]. Em acionamentos, as fontes de tensão CC são constituídas por transformadores com múltiplos secundários conectados em retifica- dores unidirecionais limitando a aplicação do CHB à operação inversora [2].

Cada inversor ponte H pode gerar saídas com três níveis de tensão, +Vdc, 0 e –Vdc, em função das possíveis combinações dos quatro interruptores: S1, S2, S3 e S4.

A Figura 3 ilustra os três diferentes níveis de tensão do sinal sintetizado por uma ponte H e seus respectivos circuitos equivalentes. Assim, para obter +Vdc, S1 e S4 devem ser ligados. Para obter –Vdc, S2 e S3 devem ser ligados. Ao ligar S1 e S2 ou S3 e S4, a ten- são de saída será zero. Tanto S1 e S3 como S2 e S4 operam em complementariedade a fim de evitar curto circuito na fonte CC. Nota-se que para o nível de tensão zero somente é

ilustrado o caso onde S1 e S2 estão ligados. Desta forma, S3 e S4 ligados representam um estado redundante da ponte H, o qual pode ser utilizado para equalizar a energia fornecida pelas fontes de tensão.

Figura 3 – Possíveis estados de chaveamento de uma ponte H monofásica.

O CHB apresenta mais estados redundantes que as demais topologias de converso- res multiníveis uma vez que cada ponte H possui um estado de chaveamento redundante, referente ao nível de tensão zero. Além disso, a conexão em série inerentemente introduz mais redundâncias, as quais estão diretamente associadas ao aumento do número de pon- tes completas monofásicas [10].

Quando duas ou mais pontes H são conectadas em série, suas tensões de saída po- dem ser combinadas para formar diferentes níveis de tensão, aumentando a amplitude da tensão de saída e a potência nominal do conversor. O número de níveis de tensão no sinal de saída, m, em um inversor cascata é definido por m = 2s + 1 (dois níveis por ponte H e o nível zero comum), onde s é o número de fontes CC independentes ou o número de pontes H (Figura 2).

Há uma topologia em cascata que emprega níveis CC múltiplos um do outro, tal es- trutura é denominada CHB assimétrico. De fato, a escolha apropriada da relação de tensão entre as fontes CC independentes, conectadas às pontes H, pode produzir diferentes com- binações de níveis de tensão e eliminar redundâncias. De acordo com a Figura 4, uma as- simetria ou relação de tensão de 1: 3 para um CHB–5L (duas pontes H) sintetiza a mesma forma de onda de nove níveis produzida por um CHB–9L (quatro pontes H). Desta forma, a topologia CHB–5L assimétrica gera a mesma tensão de saída com menos dispositivos de potência, neste caso, metade. No entanto, no caso de se utilizar a mesma tecnologia de semicondutores de potência, a tensão de saída é reduzida, uma vez que a tensão máxima

de bloqueio das chaves de potência será limitada pelo valor da fonte CC [10]. Esta abor- dagem permite uma maior diversidade na magnitude da tensão de saída; contudo, perde a vantagem de ser capaz de utilizar unidades modulares idênticas devido aos valores de ten- são e corrente desiguais para cada uma das células de potência.

Figura 4 – CHB–5L assimétrico 1:3 monofásico.

1.1.2 Aplicações

Inversores multiníveis em cascata são utilizados como geradores de energia reati- va, interface com fontes de energia renováveis e aplicações baseadas em baterias.

O conversor cascata com ponte completa pode ser utilizado sem as fontes de tensão i- soladas caso não haja necessidade de fornecimento ou absorção de energia ativa. Neste caso, a fonte CC é substituída por um capacitor. Uma das aplicações que empregam o CHB nesta configuração é em compensadores síncronos estáticos (STATCOM) [28].

Inversores trifásicos em cascata podem ser conectados em estrela ou em triângulo, como mostrado na Figura 5. Foi demonstrado um protótipo multinível em cascata conec- tado em paralelo com um sistema elétrico produzindo uma corrente controlada adiantada ou atrasada de 90º em relação as tensões da rede elétrica em questão [43]. O inversor pode ser controlado para regular ou o fator de potência da corrente extraída da fonte ou a ampli- tude da tensão do barramento do sistema elétrico em que o inversor foi conectado. O in- versor cascata pode também ser ligado diretamente em série com o sistema elétrico para compensação da potência reativa [44]. Inversores em cascata são ideais para conectar fon- tes de energia renováveis com a rede CA devido à exigência do emprego de fontes CC

independentes inerente à topologia. Tais fontes CC estão disponibilizadas nos painéis fo- tovoltaicos ou células de combustível [45].

Figura 5 – Inversor trifásico em cascata conectado: a) em estrela e b) em delta.

Inversores em cascata também são utilizados como acionadores da unidade de tra- ção principal em veículos elétricos, onde várias baterias ou ultra capacitores são adequa- dos para servir como fontes CC independentes [7]. O inversor em cascata pode também servir como um retificador ou carregador para as baterias de um veículo elétrico enquanto o veículo estiver ligado a uma fonte CA. Além disso, o inversor cascata pode atuar como retificador de um veículo que utiliza frenagem regenerativa.

1.1.3 Vantagens

As principais vantagens dos conversores multiníveis ponte H em cascata são apre- sentadas a seguir:

a) o número de possíveis níveis de tensão no sinal de saída é maior que o dobro do número de fontes de corrente contínua (m = 2s + 1), com isso a forma de onda da tensão de saída apresenta menor distorção harmônica com reduzidos degraus de tensão (dv/dt);

b) a modularização das pontes H facilita o processo de fabricação tornando- o mais rápido e barato [10];

c) os estados redundantes permitem operação tolerante a falhas e equaliza- ção da energia fornecida pelas fontes de tensão;

d) aumento efetivo da potência nominal e tensão de saída a partir do acrés- cimo de pontes H, onde todos as chaves semicondutoras devem bloquear somente Vdc

(CHB simétrico); e

e) de acordo com a Tabela 1 [2], o CHB utiliza menos componentes (capaci- tores e diodos) por fase para um mesmo número de níveis se comparado aos conversores com grampeamento a diodo e/ou a capacitor, considerando que todos os capacitores, dio- dos e chaves ativas possuam as mesmas especificações de corrente de condução e tensão de bloqueio reversa. Contudo, precisa de um transformador especial com múltiplos secun- dários.

Tabela 1 – Quantitativo de componentes por ramo de fase das principais topologias multiní- veis considerando especificações de corrente e tensão iguais.

Níveis Topologia Capacitores Diodos IGBT Fontes CC 3

CHB 1 0 4 1

DCMC 2 2 4 1

FCMC 3 0 4 1

5

CHB 2 0 8 2

DCMC 4 12 8 1

FCMC 10 0 8 1

m

CHB (m – 1)/2 0 2(m – 1) (m – 1)/2

DCMC (m – 1) (m – 1)(m – 2) 2(m – 1) 1

FCMC (m – 1)(m – 2)/2 0 2(m – 1) 1

Outro tipo de conversor multinível em cascata com transformadores usando padrão trifásico em conversores de dois níveis é mostrado na Figura 6. O conversor utiliza as saí- das dos transformadores para somar diferentes tensões. As saídas dos três conversores precisam estar sincronizadas e defasadas de 120º para serem somadas [46]. Por exemplo, para obter um sinal com três níveis de tensão entre as saídas a e b, a tensão de saída pode ser sintetizada por V_ab = V_a1-b1 + V_b1-a2 + V_a2-b2. Um transformador isolado é usado para fornecer síntese de novos níveis de tensão. Com os três conversores sincronizados, as ten- sões, Va1-b1, Vb1-a2 e Va2-b2 estão em fase e, assim, o nível de saída pode ser triplicado [47].

A vantagem dos conversores multiníveis em cascata com transformadores usando padrão trifásico de conversores de dois níveis é que os três conversores são idênticos e, portanto, o controle é mais simples. No entanto, os três conversores precisam de fontes CC independentes e um transformador trifásico para somar as tensões de saída.

Figura 6 – Conversor em cascata com transformadores usando padrão trifásico de conver- sores de dois níveis.

1.1.4 Desvantagem

As fontes CC separadas são necessárias para cada ponte H limitando sua aplicação junto à conversores com múltiplas fontes independentes prontamente disponíveis. As fon- tes CC isoladas são usualmente fornecidas por retificadores trifásicos alimentados por transformadores com múltiplos secundários. Assim, para um CHB–5L são necessários um transformador trifásico com seis enrolamentos secundários e dois retificadores para pro- duzir as duas fontes CC independentes, os quais, naturalmente, aumentam o volume e o custo do conversor (Tabela 1).